变极式三相异步电机用于石油钻机绞车传动控制的研究

矩的 １７ ２ ， ．３ 倍 绞车传动系统 的扭矩设计时需要平衡
好 电机 高 、 低速 时 的最大扭 矩 。 参 考 文 献
［］ 孙松尧 ． １ 钻井机械 ［ ． Ｍ］ 北京 ： 石油工业出版社 ， ０ ６ ２ ０ ［ ］ 锁超民 ． ２ 石油钻井绞车刹车系统的现状与发展 ［ ］ 石油 Ｊ．
动系统方面使用者提出了减小变速机构体积和增加提 升载荷 能力 的要 求 。 目前 ， 动钻 机 的 绞 车拖 动 有 直 电
流 电动机 加 四档机 械变送 箱拖 动 和交流 异步 电动 机加
３ 绞车启 、 操作 频繁 ， ） 停 要求 动力 系统有 良好 的启
两档机械变速箱拖动两种方案 。本文介绍一种采用变 频器控制变极三相异步电机实现绞车调速传动系统方 案 ， 机械 上可 以不需 要 两档 变速结 构 ， 针对 此方 案 在 并
１变 极三相 异步 电动 机 的设 计 和制造 。此种 原 理 ） 的电机具 体设计 制造 和实 应用 需要 进一 步 的研 究 。
２ 低 速时 电机 的额定扭 矩是 高速 时 电机 的额 定扭 ）
２ ； 倍
２两 种运 行情况 下 ， 圈流过 的电流 如果相 等 ， ） 线 且 不 考虑 功率 因数 和电功 效率 的变化 ， 电机 在 △接 法 时 的额定 扭 矩 是 在 电机 Ｙ Ｙ接 法 时额 定 扭 矩 的 １ ７２ ．３ １
钻 机设 备 中用来 起放井 架 。钻井 绞 车的工 作特 点是 载 荷大 ， 而且 载 荷 变 化 也 大 。实 际 工 作 中 ， 起 一 个 立 每
有提高电动机转速 。此时， 异步 电机工作在恒功率特
性段 ， 通过 变频 器 控 制 ， 现弱 磁 增 速 。但 是 ， 时 电 实 此
根， 载荷变化一次 ， 重载荷时提升慢一些 。例如钻机的
动机 采用 ，， 法 ， １接 电机 的 额 定转 速 是 ２ ．额 定扭 矩 ｎ， 是 ５ ％的 ， ７ 此时 我们 可 以得 到 ２ 的转 速 ， 扭矩 只 倍 但 减少 了 ４ ％。这 种 特 性 很 好 的适 应 了 绞 车在 高 速 时 ３ 需 要足 够大 的提升 力矩 的要 求 ， 免 了 弱磁 增 速 时 电 避 机 转矩 急剧下 降 的缺点 。 两 种运行 情况 下 ， 果保 持 电源 电压 不变 ， 如 同时每 个 线圈 允许流 过 的 电流 相 等 ， 电机 在 接 法 时 允 许 输 出功 率是在 电 机 △接 法 时 允许 输 出功 率 的 １ １４ ．５７ 倍 。传动 系统设 计 是考 虑 了短 期 过载 的需 求 ， 同时 考 虑 到绞 车 的运 行是 短 时工 作 制 ， 计所 用变 频 器 功 率 估 无需 增 大 ， 仅利 用其 过载 能力 即可实 现 △ 接法 时 电 机 的恒功 率运行 。
矿场机械 ，０ ５ ３ （ ） ２０ ，４ １
（ 收稿 日期 ：０ １ ７—１ 编 辑 ：梁保 江 ） ２ １ —０ ３
倍， 也就是说 ， 此时 电机额定转速提高了一倍 ， 但输 出
扭 矩仅下 降 了 ４ ％左 右 ； ３
３两种运行情况下 ， ） 如果保持电源电压不变 ， 同时 每个线圈允许流过的电流相等 ， 电机在 Ｙ Ｙ接法时允 许输出功率 是在 电机 △接法 时允许输 出功率 的 １ ． １４ ５７倍 ；
提升力 是一 个新 的课 题 ， 纯 采 用 提 高 电机 恒 转矩 段 单
针对石油钻机绞车的工作特点 ， 对动力机组提 出
的要 求是 ：
的方法将加大电机的输入功率 ， 会导致控制系统成本 的大幅上升 ， 实现起来 困难极大 。 采用双速电机使绞
第一作者简介 ：王华勇 ， ，９ ２年生 ，９７年毕业于西安 电视广播大学机 械设计专业 。现在西安 宝美电气工业有 限公 司生产制造部从 事机械设 男 １６ １８ 计及技 术管理工作 。邮编 ： １０５ ７ ０６
② Ｐｗ ＝３ 万Ｉ ２ （ ） ×Ｕ × ×
③ ：
上 述公 式 中 ， 为 额定 转 速 ； 为额 定 功率 ； Ⅳ Ｐ Ｔ为 输 出转矩 ；１为线 圈流 过 的 电 流 ； 为转 子 旋 转 的角 ／ ， ｎ 速 度 ；Ｏ 为功率 因数 ； ＣＳ 叩为 电功效率 。
比较 两 种运行 情况 我们有 如下 结论 ：
石
・
油
仪
器
６ ・
Ｐ ＴＲ０ Ｅ Ｅ Ｌ ＵＭ ＮＳ ＲＵＭＥＮ Ｉ Ｔ ＴＳ
车低速 大扭 矩和 高速 小扭矩 工 作在 电机 的不 同额 定转 速段 ， 是现 实而 经济 的选择 。
１ ３ 变极 三相异 步 电机 的变极 调速特 性 ．
１ ４ 解决 方案 ．
综 上所 述 ， 我们 的设计 方 案是 ， 采用变 极三 相异 步 电动机 作 为绞车 的 拖动 电机 构成 新 型 传 动 系统 ， 用 采 △Ｙ ／ Ｙ的变极 调速 附加 变频 器调 速 的 调速 方 案 。这 个 此方 案切 合 了绞 车 的工 作 特 点 ， 以满 足绞 车 设 备 的 可 要求 。在低速 大扭矩 工况 ， 如钻 机的起 升 ， 层 时的 例 深 起钻 时 ， 极 三相 异 步 电动 机 采 用 △接 法 ， 机 工 作 变 电 在低 速 大扭矩 特性 区 间。在 高 速 小扭 矩 工 况 ， 如 空 例 大 钩起 升 ， 变极 三相 异步 电动机 采 用 Ｙ Ｙ接 法 ， 电机 工
０ 引 言
＝
１能无 级变 速 ， ） 以充分 利用功 率 ， 速度调 节范 围 Ｒ
：
５
。
随着 电动钻 机 在石 油钻 井 行 业 的 广 泛使 用 ， 用 使 者对 设备 的要 求呈 现 出多样 化 的趋势 。针对 绞 车的传
２ 可短期 过 载 ， ） 以克服启 动 动载 、 轻度 卡钻 和振 动 冲击 。
三相异 步 电动机 的实 现 变 极 调 速 的方 法 有 多种 ， 我们采 用 △ Ｙ 的变 极 调 速 ， 和 Ｙ ／Ｙ △ Ｙ是 指 变极 调 速 时， 两种极 数 的接法 。其 中 ， △接法 是低 速 ，Ｙ接法 是 Ｙ 高速 ， 图 １ 如 所示 。对 比图 １ｂ 和 图 １ａ ， 半 绕 组 （） （ ）一 的电流反 向 ， 实现 了变极 。
４ 当绕 组 的线 圈 中流 过 的 电流相 同时 ， ） △一Ｙ Ｙ接 法 适合 带动 恒功 率类 型 的负载运 行 。
进 行 了理论 上 的研究 与探 讨 。
动性能和灵敏 、 可靠的控制离合装置。 １ ２ 存 在 的 问题 ． 目 ， 前 电动钻机 绞车采用第 二种传动方案的传动
系统被 广泛 使用 ， 体表 现 为 通 过 变频 器 控 制 交流 异 具
１ 变极三 相异 步 电机 技术 用 于石油钻 机 绞车 电气传动控 制的可行性 ＿ 】
变极 三相 异步 电动机 △ Ｙ ／ Ｙ的变极 调速 可 以采 用
１电机绕 组 △接 法 ）
① ／（ ）＝ ｎ ｖ△ ｌ
② Ｐ（）＝ ３ｘ ＵＩ ｅ× （） Ｏ （） △ ｌ △ ×ＣＳ △ ｘ
③ ｒ ， ㈨ ＝ ２ 电机 绕组 Ｙ ） Ｙ接 法
① Ⅳ（ ， ２ １ ，）＝ ｎ １
１ １ 绞 车 的工作 特性 的分 析 ．
步电机和具有高 、 速两个档位机械变速箱组成 的传 低 动 系统 ， 过 变换档 位 和 电机 变频 调速 ， 通 最终 实现对 绞 车的宽范围调速控制。但这种传动系统存在以下不足
之处 ：
绞车是钻机起升系统的重要设备 ， 主要功用有上
紧、 卸扣 和悬 挂钻 具 ， 升 和 下放 钻 具 或 套 管 ， 用捞 提 利
换联合 实现 的。文章介绍 了 钻机 绞车工况对传动 的需求和 变极三相 异步 电动机 Ａ ｙ ／ Ｙ的 变极调速 特性 ， 以此设计一 并
种 新 型 石 油钻 机 用绞 车机 电传 动 系 统
关 键 词 ： 油钻机 ；绞车 ；异步电动机 ；Ａ ｙ 石 ／ ｙ变极调速
中 图 法 分 类 号 ： Ｅ ２ Ｔ ９８ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１０ —１４ ２ １ ）４０ ０ ．２ ０４９ ３ （０ １０ —０５０
接 触器 切换 电机 的绕组 ， 采用 电气切 换 的方 法 ， 取代 两 档 机械 变速箱 的机 械换档 。
１两种运 行情 况下 ， ） 由于采用 了变极 调速 ， 电机 在 Ｙ Ｙ接法 时 的额 定转 速是 电机 在 △接 法 时额定 转 速 的
２ 变极三相 异步 电机技 术用 于石油 钻机 绞 车 电气传动控制需要解 决的问题 ＿ ２ ］
作在高速小扭矩 特性 区间。变极三相异步 电动机的
ＡＹ ／ Ｙ调速 方案 使 电机 成 实 现 了电机 的 双速 ， 大 地 极
增 加 了电机 的调速 范 围。
该设 计方 案具有 以下 优点 ：
（ ａ） （ ｂ） （ ｃ）
变极 三相 异步 电动机 采 用 △接 法 ， 电机 的额 定 转
石 ２１年 ０１
・
油
仪
器
・５ ・
第２卷 ５
第 ４期
ＰＴ Ｅ ＲＯＬ ＵＭ ＮＳ ＲＵＭＥＮ Ｓ Ｅ Ｉ Ｔ Ｔ
开发 设计 ・
变极式三相异步 电机用于 石油钻机绞车传动控制 的研究
王 华 勇 周 骥
（ 西安宝美 电气工业有 限公 司 陕西 西安）
摘
要 ：石 油钻 井用电动钻机 有交流电机驱 动绞车的传动 系统 ， 绞车的调速 是通过 电机 的变频调速 和机械 传动 比变
１由于异 步 电动 机 的变 频 调 速 范 围有 限 ， 足 了 ） 满 低速 段 的大扭 矩输 出要求 ， 就满 足 不 了小扭 矩 高 速 段 的最 高速 度要 求 ；
２ 绞 车在 高速段 运行 时 ， 了得 到更 高的 速度 ， ） 为 只
沙滚筒提取岩心筒 、 试油等工作 ， 同时在 自升式井架的
起升 ， 层时 的起 钻 ； 载荷 时提 升快 一些 。例 如空 大 深 轻 钩起 升 、 下降 ， 这样 才能 充分 利用 动力机 组在 理想 的恒 功率 曲线 上工作 。
机转矩急剧下降 ， 绞车的提升力也随之大幅下降； ３需要 频繁 切换 变速 箱档 位 。 ） 设计新型的绞车拖动系统在高速时提供足够大的
图 １ Ａ—ＹＹ 的变 极 调 速
速是 ｎ ， １额定 扭 矩 是 ， 时 电机在 额 定功 率 范 围 内 此
两种 接法 运行情 况 ， 假设 电源 电压不 变 ， 考虑 不 不
同接 法 时 ＇和 ｃｓ 的变化 ， ７ ｏ 电机 固有 特性 简述如 下 ：
工作 ， 适合工作在大扭矩特性 区问。变极三相异步电